某高速鐵路CFG樁復合地基沉降原理及分析

(山東科技大學土木工程與建筑學院 山東 青島 266590)

前言

隨著經濟的高速發展，城市化趨勢日益增強，高層建筑也日益增多，基礎埋深也隨之增大。由于基礎所在的地區的地質條件呈現多樣性，部分天然地基不可避免無法滿足工程建設時對地基承載力及其抵抗變成能力的要求時，為保證施工安全避免對人民生命財產造成的損失，必須采取一定的人工措施對天然地基進行處理。尤其是在高速鐵路這一龐大的系統工程地基中[1]，高速鐵路是人民出行的命脈，也是一個國家經濟水平的體現，必須保證其高平整性、高精度性、高穩定性，所以要從奠定堅實的基礎做起，才能將影響因素的不穩定性降到最低。

一、CFG樁復合地基特點

目前在設計高速鐵路地基中，一些軟土地基進行加固時已經廣泛應用了CFG樁復合地基。其中以京滬高鐵為例，地基處理部分長為83.9km，占到路段路基總長的36.9%[2]。CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，它是基于傳統建筑工程中采用的碎石樁摻入水泥、粉煤灰等材料進行改進來的[3]，從而改善了碎石樁承載能力特性，同時減小了地基的沉降。樁頂處鋪設具有一定厚度的沙石褥墊層與基礎相連，合理分配樁土荷載，使樁間土一直參與工作，保證了樁和樁間土共同作用，形成樁、樁間土和褥墊層共同構成的CFG樁復合地基。CFG樁與傳統的樁基對比，不僅大大減少了樁的使用數量，而且樁通體不用配筋、材料為粉煤灰，在消耗大量工業廢料的同時，又能節約成本、保護環境。

二、CFG樁復合地基沉降形式及機理

在土木工程設計中，計算地基沉降的方法不勝枚舉，我們目前在工程中廣泛應用的多數方法都是基于太沙基經典土力學理論進行修改的，通過加入許多假設對其進行簡化，使其更簡便、直觀、計算參數更少。軟土地基的總沉降量包括瞬時沉降和主固結沉降，此外在一些泥灰土、有機質粘土和高塑性粘土中，還應考慮次固結沉降[4]。

(一)瞬時沉降

地基在荷載作用下，土體尚未排水，由于地基的變形而立即產生的沉降，稱為瞬時沉降，同時也可以稱為初始沉降或者不排水沉降。目前，學者多研究主固結沉降和次固結沉降，對瞬時沉降卻鮮有研究。土體若以一維變形為主，則瞬時沉降所占地基總沉降比重極小，可以忽略不計，但是土體若以二維或三維變形為主，則瞬時沉降所占比重相當大，需要單獨考慮。目前，瞬時沉降計算方法主要包括利用線彈性理論法(利用土體不排水變形量來計算沉降量)，應力路徑法，以及試驗曲線法(利用三軸不排水試驗結果曲線進行歸一化來計算沉降量)[5]。以上方法中可以考慮加載方式和加載速度的只有應力路徑法，但該方法多數需要進行室內試驗，對工程應用造成不便。在國內工程設計中，瞬時沉降的取值來自主固結沉降乘以經驗系數修正。由于各地區軟土地質條件千差萬別，施工方法也不盡相同，修正系數取值也只能依靠經驗過于籠統，設計具有較大的不確定性。

(二)主固結沉降

由于外部荷載作用下，超孔隙水壓力逐漸消散而產生的水力梯度導致水從土體排除，應力也隨之轉到土骨架上來，使得土體發生壓縮失水壓密，這一過程伴隨著土體的沉降，稱為主固結沉降。該變化過程與時間的關系密不可分，一般持續時間較長，發生的主要是體積的變化。土體的固結規律極其復雜，既受土體的類別和狀態的影響，也取決于土體的邊界條件、排水條件和荷載方式等因素的差異。主固結沉降理計算理論主要有太沙基固結理論、太沙基-倫杜列克固結理論和比奧固結理論。太沙基在1925年首次提出了飽和土體的一維固結理論,求得飽和土體在滲透固結過程中任意時間的變形量。后來,倫杜列克在1936年將太沙基的一維固結理論進行修改,保留太沙基固結理論的假設條件外,又假設滲透過程中土體的總應力值不變,并將其運用到二維和三維條件下,得到太沙基-倫杜列克固結理論。比奧在1941年改善了前者理論中未考慮應力和應變滿足的相容條件,從彈性理論推導入手,研究三向變形材料與孔隙壓力的相互作用,通過計算可得到了土體任意時刻的應力和應變,提出了比較完善的真三維固結理論[6]。

(三)次固結沉降

土體中主固結沉降完成，超孔隙水完全消散后，由于土體顆粒之間長時間緩慢蠕變和位置重新排列而產生的沉降稱為次固結沉降，也稱為排水蠕變。根據土體類別不同，沉降特性也不盡相同，次固結沉降在總沉降中所占的比重也各有差異。對于有機粘土和高壓縮性粘土，次固結沉降所占比重較大，對于其他非飽和性粘土，空隙中存在大量氣體，產生的超孔隙水壓力較小，沒有孔隙水排出，導致次固結沉降很小。

(四)計算方法

現在很多工程對復合地基沉降的計算相較于承載力的計算，程度遠遠不足，理論尚不成熟。于此背景下，通常把復合地基沉降量分為加固區的壓縮量S1和下臥層的壓縮量S2，由于復合地基和基礎之間的墊層壓縮變形量很小，且一般完成于施工過程中，可以省略。在實用的計算方法中，根據復合地基的特點可以參考規范計算或者用M-B(Mindlin-Boussinesq)聯合計算法。預測復合地基沉降的方法主要有雙曲線發、指數曲線法、星野法、泊松曲線法等，這些方法在通過大量的工程實例驗證后，具有較高的可靠性和實用性[7]。

三、工程實例

(一)工程概況

本文所選高速鐵路沿線段所屬溫暖帶亞濕潤氣候區，四季分明，沿線經過海河、黃河兩大主要河流。地表水主要是河水和渠水，河水在雨季水量充沛，干季水量少甚至斷流，受季節影響較明顯。地下水類型按形成條件可分為孔隙潛水、巖石裂隙水和巖溶水，局部具有承壓性，地下水埋深一般在0.5-4.7m。地層多為第第四系全新統沖積層，厚度為6.1-11.4m，巖性為粘土、粉質粘土和粉土，其中粘土和粉質粘土的固結系數較小，粉土的固結系數較大。

(二)沉降值對比分析

本文選取JH1、JH2、JH3、JH4、JH5、JH6、JH7、JH8等8個典型斷面，將幾種常用的計算方法沉降值計算值，與沉降量實測值及預測值進行對比分析。計算方法文中采用了規范法和M-B聯合法，利用計算機輔助軟件Matlab求解，預測值采用雙曲線法和星野法預測沉降的最終值，由于規范法計算值都在遠大于實測值，如表1所示，并便于對比將其他具體的結果作圖1所示：

表1 CFG樁復合地基典型斷面計算沉降值

圖1 CFG樁復合地基典型斷面計算及預測沉降值

從表1可以看出，CFG樁復合地基按建筑地基處理規范進行理論計算得到的結果相較于現場實測值普遍偏大，最大位置達到相差368.0mm，其余差值介于5.0-5.9倍之間，可見規范值，并不能直接應用于工程設計，過于保守。而M-B聯合法計算的總沉降值與實測值相對吻合，從圖1可以看出，曲線形式相近，最大差值為12.4mm，最小差值為6.4mm，可以廣泛應用于工程設計，但是計算方法相對復雜，需要計算輔助軟件。從圖1可以看出，雙曲線法和星野法兩種對CFG樁復合地基沉降值的預測都比較接近，兩種方法的預測值都略小于實際的沉降值，這是由于現場實測的日期過短，沉降還沒有完全結束，存在一些工后沉降。以沉降量最大的JH7處為例，雙曲線法預測的總沉降量為83.2.2mm，與實測值73.5mm相比，相關系數達到了88.3%，其他位置的相關系數平均值為91.2%。星野法在該處的沉降值為80.8mm，相關系數為91.0%，較為接近，各斷面相關系數的平均值達到了90.0%，兩者的相關系數均滿足《鐵建設[2006]158號——客運專線鐵路無柞軌道鋪設條件評估技術指南》的規定。

四、結語

(1)根據京滬高速某段地質特點及其工程重要性入手，采用了CFG樁復合地基進行加固，并簡單介紹了，CFG樁復合地基的作用機理。

(2)詳細介紹了CFG樁復合地基沉降的瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降等三種沉降的機理及計算方法和預測方法。

(3)以京滬高鐵某段為例，分別采用規范法和M-B聯合法對8個不同斷面位置的沉降值進行計算，規范法計算沉降值為實測值的6倍左右，M-B聯合法計算沉降值相接近。采用雙曲線法和星野法對沉降進行了預測，兩種方法得到的最終沉降值整天偏大于實測值，這是由于實測時間短導致的，相關系數分別為91.2%和90.0%，均符合規定要求，在工程設計中可作為參考依據。

[1]尤昌龍,李殿龍.鐵路客運專線路基沉降特性及其對策[J].鐵道科學與工程學報,2005,2(5):9-12.

[2]邢娜.京滬高速鐵路CFG樁復合地基剛性與柔性靜荷載試驗對比分析研究[D].北京:北京交通大學,2008.

[3]肖啟航.高速鐵路CFG樁復合地基的沉降特性研究[D].成都:西南交通大學,2010.

[4]劉賀全.京津城際客運專線CFG樁復合地基施工及沉降分析研究[D].成都:西南交通大學,2009.

[5]張敏靜,羅強,詹學啟,等.高速鐵路穿透型CFG樁復合地基沉降計算修正系數分析[J].巖土力學,2013,34(2):519-525.

[6]姜領發,陳善雄.鐵路客運專線路基工后沉降預測方法研究[J].鐵道標準設計,2010,1(2):19-22.

[7]趙明華,牛浩懿,劉猛,等.柔性基礎下碎石樁復合地基樁土應力比及沉降計算[J].巖土工程學報,2017,39(9):1549-1556.